基于VERICUT仿真和優(yōu)化的復雜曲面加工策略研究*

陳曉曉 趙 軍 李月恩② 韓式國 曹清園

(①山東大學機械工程學院高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東濟南 250061;②山東建筑大學藝術設計學院，山東濟南 250010)

模具工業(yè)是制造業(yè)中的重要分支。現(xiàn)代模具制造中，型面設計日趨復雜，自由曲面的應用不斷增加，模具制造精度要求逐漸提高，用戶需求多樣化，產(chǎn)品生命周期縮短，這對模具加工提出了更高的要求［1］。數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控機床、刀具技術、CAD/CAM軟件等的不斷發(fā)展，給模具高速加工注入了新的動力。

本文結合人面模具數(shù)控加工程序的編制，分析了復雜曲面模具的加工策略，并采用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)軟件VERICUT進行數(shù)控程序的模擬、驗證、切削速度優(yōu)化，提供了模具加工的系統(tǒng)性方法。

1 加工對象的建立

使用UG進行數(shù)控加工編程的一般流程為，第一步:使用UG或其他CAD軟件造型，建立待加工工件及毛坯;第二步:初始化加工環(huán)境;第三步:工藝分析及規(guī)劃;第四步:建立加工用刀具、加工方法、加工操作等，計算生成刀具軌跡;第五步:后處理，將刀具軌跡轉(zhuǎn)化為特定數(shù)控機床能識別的NC代碼。

圖1所示為人面模具，作為數(shù)控加工編程的加工工件。毛坯長、寬、高分別為203 mm、161 mm、56 mm。

2 加工工藝分析及規(guī)劃

2.1 粗加工

粗加工以提高加工效率為目標，要求采用大的材料切除率。因此應采用直徑盡量高的刀具，盡量大的加工速度，但必須綜合考慮刀具性能、工件材料、機床負載及損耗。一般來說，粗加工的刀具直徑、切削深度和步進距離較大，而受機床負載能力的限制，切削速度和主軸轉(zhuǎn)速較低。

粗加工大多數(shù)情況下使用型腔銑(CAVITY MILL)，故第1次粗加工采用型腔銑，加工刀具為直徑25 mm的平頭立銑刀ED25，加工余量為1 mm。

2.2 半精加工

半精加工以保證精加工前工件上所有需精加工區(qū)域的余量均勻為目標。由于采用大直徑刀具進行型腔銑在非陡峭面上切削，各切削層之間會留下臺階，可能存在大直徑刀具無法加工到的角落、凹谷或窄槽，因此需進行半精加工［2］。

因第1次加工后殘留待加工材料較多，故第2次、第3次加工均采用型腔銑，使用“IPW”功能。加工刀具分別為直徑20 mm的球頭銑刀ED20BR10和直徑10 mm的球頭立刀 ED10BR5，加工余量分別為0.5 mm、0.25 mm。

IPW即殘留毛坯。工件是由毛坯經(jīng)過若干道工序加工而成的，在每道工序后都會有一個IPW。利用IPW計算刀軌是數(shù)控加工發(fā)展的一個方向。采用IPW功能，以上一道工序加工完成后的殘留毛坯為基準計算下一道工序的刀軌，可以去除空刀，提高加工效率［2］。

圖2、圖3所示分別為第2次、第3次加工后殘留毛坯。可以看出第3次加工后余量已基本均勻。

圖4所示為第3次加工后鼻子部位刀軌痕跡。

2.3 精加工

精加工以保證高的加工表面質(zhì)量為目標。通常曲面精加工都采用固定軸曲面輪廓銑(Fixed contour)，設置較大的每齒進給量、主軸轉(zhuǎn)速、較小的切削深度和切削寬度;也可采用型腔銑進行粗加工、半精加工、精加工。

本例采用型腔銑進行精加工，使用“IPW”功能。加工刀具為直徑10 mm的球頭銑刀ED10BR5，加工余量為0 mm。

第4次加工后殘留毛坯更接近真實零件，但仍存在10 mm球頭銑刀未加工到的區(qū)域，故需采用小直徑刀具清除大直徑刀具未加工到的區(qū)域。第5次、第6次加工均采用型腔銑，使用“參考刀具”及“IPW”功能，加工刀具分別為直徑4 mm的球頭銑刀ED4BR2和直徑2 mm的球頭銑刀ED2BR1。參考刀具功能如圖5所示。

2.4 清角加工

采用固定軸曲面輪廓銑的清根切削驅(qū)動方式進行清角加工。清根切削驅(qū)動方式是一種比較智能化的生成刀軌的驅(qū)動方式，系統(tǒng)自動沿工件的凹角與凹谷生成驅(qū)動點，在此區(qū)域生成刀位軌跡。

第7次、第8次加工均采用固定軸曲面輪廓銑清角切削驅(qū)動方式，加工刀具分別為直徑2 mm的球頭銑刀ED2BR1和直徑1 mm的球頭銑刀ED1BR0.5。

圖6、圖7分別為第7次、第8次清角加工刀軌。

3 VERICUT仿真、驗證、優(yōu)化

后處理生成CLS文件和NC文件，在VERICUT中仿真、驗證數(shù)控程序。圖8為APT－CLS刀軌仿真、驗證;圖9a為NC程序機床系統(tǒng)仿真，9b為局部放大圖，可驗證程序正確性及安全性，避免加工系統(tǒng)干涉、過切等錯誤的產(chǎn)生。

利用刀具優(yōu)化庫，基于切削條件和材料去除率可自動地優(yōu)化進給速度［3］。本文采用恒定體積切除率模式優(yōu)化數(shù)控程序。優(yōu)化前后數(shù)控程序運行時間(表1)分別為483.09 min、247.44 min，節(jié)省時間48.78%。可看出優(yōu)化后加工效率大幅提高，并可保證較穩(wěn)定的體積去除率，避免沖擊載荷，提高加工質(zhì)量［4］。

表1 優(yōu)化前后各刀具用時對比表

4 結語

利用CAM軟件進行復雜曲面模具的數(shù)控加工編程，并利用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)VERICUT進行數(shù)控程序的仿真、驗證、優(yōu)化，利用計算機輔助設計、制造一體化，使整個加工過程具有前瞻性，確保數(shù)控程序的安全性和高效性。為實現(xiàn)加工質(zhì)量、加工效率、加工成本整體最優(yōu)化，必須綜合考慮刀具、切削參數(shù)的選擇、工藝過程的規(guī)劃等，并充分發(fā)揮CAD/CAM軟件的作用，更好地實現(xiàn)模具高速加工。

［1］盛曉敏，鄧朝暉，楊旭靜，等.先進制造技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［2］羅和喜.UGNX4中文版數(shù)控加工專家實例精講［M］.北京:中國青年電子出版社，2007.

［3］李云龍，曹巖.數(shù)控機床加工仿真系統(tǒng)VERICUT［M］.西安:西安交通大學出版社，2005.

［4］楊勝群，唐秀梅，李克安，等.VERICUT數(shù)控加工仿真技術［M］.北京:清華大學出版社，2010.